GPS在既有電氣化鐵道遠動系統(tǒng)主時鐘中的應(yīng)用

李洪磊 青藏鐵路公司機務(wù)部

GPS在既有電氣化鐵道遠動系統(tǒng)主時鐘中的應(yīng)用

李洪磊 青藏鐵路公司機務(wù)部

隨著鐵路供電系統(tǒng)自動化技術(shù)的飛速發(fā)展和計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)對時間統(tǒng)一的要求越來越迫切，對時間同步精度要求越來越高。本文結(jié)合對西星運動系統(tǒng)注視中的改造，介紹了GPS在電氣化鐵道運動系統(tǒng)中的應(yīng)用。

運動裝置；時間同步；GPS；電氣化鐵道

1.問題的提出

原武漢鐵路分局西屋遠動系統(tǒng)的WESDAC-32主站系統(tǒng)于1991年12月隨鄭武電氣化鐵路一同開通使用。主站采用雙主機熱備用方式，總線結(jié)構(gòu)，時鐘系統(tǒng)選用了RADIOCODE CLOCKS LTD公司的RMC 5000主時鐘控制器，并配備了RCS8000時鐘備用電源。兩臺主機PDP11/ 83在系統(tǒng)啟動時跟主時鐘RMC 5000自動對時。如主時鐘出現(xiàn)故障或主機與主時鐘之間出現(xiàn)通信故障，則系統(tǒng)使用主機計算機內(nèi)部時鐘。主站MTU用316板和225板與RTU的226板進行時鐘同步。RMC 5000時鐘屬于晶體鐘，它的標稱走時偏差為±3× 10-9s/d，需要人工干預(yù)校準時鐘。

隨著鐵路電力系統(tǒng)自動化技術(shù)的飛速發(fā)展和計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)對時間統(tǒng)一的要求越來越迫切，對時間同步精度的要求越來越高。既有的系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)對現(xiàn)代化計算機技術(shù)來說相對落后。為滿足新的要求，有必要將現(xiàn)有的主站時鐘系統(tǒng)改造成全球定位時鐘系統(tǒng)(GPS)。GPS具有全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點。

2.GPS同步時鐘

2.1 GPS授時的基本原理

GPS是由美國國防部研制的導(dǎo)航衛(wèi)星測距與授時、定位和導(dǎo)航系統(tǒng)，由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成，這24顆衛(wèi)星等間隔分布在6個互成60 0的軌道面上。這種衛(wèi)星配置基本上保證了地球任何位置均能同時觀測到至少4顆GPS衛(wèi)星。GPS系統(tǒng)由GPS衛(wèi)星(空間部分)、地面支撐系統(tǒng)(地面監(jiān)控部分)和GPS接收機(用戶部分)3部分構(gòu)成。

GPS向全球范圍內(nèi)提供定時和定位功能。全球任何地點的GPS用戶通過低成本的GPS接收機接受衛(wèi)星發(fā)出的信號，就能獲取準確的空間位置信息、同步時標及標準時間。GPS要實時完成定位和授時功能，需要4個參數(shù)：經(jīng)度、緯度、高度和用戶時鐘與GPS主鐘標準時間的時刻偏差，所以需要接受4顆衛(wèi)星的位置。若用戶已知自己的確切位置，那么接受1顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)也可以完成定時。

由于GPS采用被動的定位原理，所以星載高穩(wěn)定度的頻率標準是精密定位和授時的關(guān)鍵。工作衛(wèi)星上一般采用的是銫原子鐘作為頻標，其頻率穩(wěn)定度達到(1～2)×10-13/d。GPS衛(wèi)星上的衛(wèi)星鐘通過和地面的GPS主鐘標準時間進行比對，這樣就可以使衛(wèi)星鐘與GPS主鐘標準時間之間保持精確同步。GPS衛(wèi)星發(fā)射的幾種不同頻率的信號，都是來自衛(wèi)星上同一個基準頻率。GPS接收機對GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號進行處理，經(jīng)過一套嚴密的誤差校正，使輸出的信號達到很高的長期穩(wěn)定性。定時精度能夠達到300 ns以內(nèi)。在精確定位服務(wù)下，GPS提供的時間信號與協(xié)調(diào)世界時(UTC)之差小于100 ns。若采用差分GPS技術(shù)，則與UTC之差能達到幾個納秒。

GPS定時原理是基于在用戶端精確測定和扣除GPS時間信號的傳輸時延，以達到對本地鐘的定時與校準。GPS定時準確度取決于信號發(fā)射端、信號在傳輸過程中和接收端所引入的誤差。主要誤差有：

2.1.1 信號發(fā)射端：衛(wèi)星鐘誤差、衛(wèi)星星歷(位置)誤差;

2.1.2 信號傳輸過程：電離層誤差、對流層誤差、地面反射多路徑誤差；

2.1.3 接收端：接收機時延誤差、接收機坐標誤差、接收機噪聲誤差。

2.2 GPS時鐘的實現(xiàn)方法

常規(guī)時鐘頻率產(chǎn)生方法可以是晶體、銣鐘等。但晶體會老化，易受外界環(huán)境變化影響和長期的精度漂移影響。原子鐘長期使用后也會產(chǎn)生偏差，需要定時校準。而GPS系統(tǒng)由于其工作特性的需要，定期對自身時鐘系統(tǒng)進行修正，所以其自身時鐘系統(tǒng)長期穩(wěn)定，具有對外界物理因素變化不敏感特性。若晶體或銣鐘以GPS為長期參考，可以變成低成本、高性能的基準時鐘。

在網(wǎng)絡(luò)正常工作狀態(tài)下，GPS時鐘具有與GPS主鐘相同的頻率準確度。由于在某些特殊情況下GPS時鐘信號會暫時消失，所以基于GPS的時鐘模塊一般需要另一個外部時鐘作為后備輸入，預(yù)留有外接時鐘的時基和頻標信號接口。另外，GPS時鐘其頻率準確度還具有自身保持性能。

GPS時間的建立過程如圖1所示。

圖1 GPS時間的建立過程

為了得到精密的GPS時間，使它的準確度相對于UTC達到＜100ns，因此每個G P S衛(wèi)星上都裝有銫原子鐘作星載鐘；GPS全部衛(wèi)星與地面測控站構(gòu)成一個閉環(huán)的自動修正系統(tǒng)；采用UTC(USNO/MC)為參考基準。

GPS時鐘頻率模塊提供所需的各種時頻的信號，并輸出定位時間、GPS接收機是否工作正常、輸出的時間信號是否有效、時鐘和頻率處理模塊激活狀態(tài)、異常告警等信息。

3.改造后的系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

在原來主站系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加一套GPS同步時鐘系統(tǒng)和一個室外衛(wèi)星接收天線。接收到的衛(wèi)星定位信號通過同軸電纜連接到同步時鐘處理系統(tǒng)的天線輸入端口，再由時鐘裝置輸出一路RS232信號，接入雙機監(jiān)視及切換裝置(CMS)上。兩臺主機與CMS相連，主機按與同步時鐘裝置相匹配的規(guī)約，實現(xiàn)準確無誤的接收GPS信號，實現(xiàn)時間的高精度同步。主機接收GPS時鐘信號作為系統(tǒng)的標準時間，對系統(tǒng)進 行時鐘同步，周期性地向RTU發(fā)送校時命令，以同步RTU時鐘。

4.時間同步原理

GPS接收機輸出兩種時間信號：一是同步脈沖信號，包括間隔為1秒的脈沖信號1PPS(它與UTC的同步誤差不超過1 μ s)、間隔為1分的脈動信號1PPM和間隔為1小時的脈動信號1PPH；二是時間碼信號。通過RS232C接口,輸出與1PPS脈沖前沿對應(yīng)的國際標準時間和日期，即1PPS的時間標記。其中，時間碼信號用于系統(tǒng)時間同步，同步脈沖信號用子裝置時鐘同步。根據(jù)系統(tǒng)對任務(wù)或事件實時性要求的程度，可在整點、整分甚至整秒時刻通過串行接口為系統(tǒng)提供標準時間碼信號。同樣，根據(jù)采樣對裝置時鐘分辨率的要求，可分別采用1PPS、1PPM或1PPH同步脈沖信號對裝置時鐘進行同步。

系統(tǒng)時間同步是指GPS時間碼周期性地設(shè)置整個系統(tǒng)中各節(jié)點主機及RTU的系統(tǒng)時間，達到統(tǒng)一分布式系統(tǒng)時間的目的。SCADA系統(tǒng)中各主機及RTU的對時系統(tǒng)都以三級計時結(jié)構(gòu)方式組成，即RTC計時、BIOS計時和OS計時。相應(yīng)地用外部標準時間同步一臺主機的時間系統(tǒng)也可分為同步RTC時鐘、同步BIOS時鐘和同步OS時鐘3種方式。但采用前兩者均要設(shè)計硬件線路，這對主機的完整性和可靠性不利，且同步RTC時鐘只對初始開機有效。所有應(yīng)用程序的計時都只取自于OS時鐘(不包括低級程序?qū)ο到y(tǒng)時鐘的直接調(diào)用)。所以，只要對OS時鐘進行同步，就可實現(xiàn)對所有應(yīng)用程序的時間同步但由于同步時刻點之后OS計時仍然依賴低一級的BIOS時鐘計時，為消減累計誤差，必須周期性同步。

本系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計方案，并不將GPS時間碼直接傳送給每一個節(jié)點和RTU，而是先傳送給主機，再主機傳送給其他主機節(jié)點。這樣既可以簡化線路，又便于整個系統(tǒng)的時間統(tǒng)一。

系統(tǒng)時間同步的基本過程是：(1)整點時刻與UTC 1PPS脈沖前沿對應(yīng)的BCD時間碼信號到后，啟動主機時間同步處理后臺進程；(2)后臺進程接收BCD時間碼，將其轉(zhuǎn)換為以秒為單位的長整型數(shù)，設(shè)置主機系統(tǒng)時鐘，并采用緊縮傳遞方法將長整型數(shù)轉(zhuǎn)換為ASCⅡ流，通過數(shù)據(jù)報Socket向其他主機節(jié)點廣播；(3)其他主機節(jié)點接收ASCⅡ流，將其還原為長整型數(shù)，設(shè)置本機系統(tǒng)時間。

5.技術(shù)要求

5.1 信息報文格式

兩個NEMA Protocal接口，具有問答和廣播兩種工作方式。

5.1.1 問答方式

計算機向時鐘寫入命令$ⅡG P Q，RMC*A4＜CR＞＜LF＞時鐘會向外輸出當前時間信息。如果當前時鐘已定位，其輸出為：$G PR M C,＜Ti m e.d＞,A，，，，，，，＜Date＞，，*＜Checksum＞＜CR＞＜LF＞如果當前時鐘未定位，則輸出為：$GPRMC，，V,,,,,,,,,*＜Checksum＞＜CR＞＜LF＞

5.1.2 廣播方式時鐘每秒鐘向外廣播一次時間信息，格式為：$GPRMC，＜Time. d＞，A，，，，，，，＜Date＞，，*＜Checksum＞＜CR＞＜LF＞如果當前時鐘未定位，則輸出為：$GPRMC，，V，，，，，，，，*＜Checksum＞＜CR＞＜LF＞輸出形式為ASCⅡ碼。兩個自定義RS-232接口以廣播方式輸出時間信息，時間間隔為一秒，輸出格式為：B HH MM SS MSH MBL YYM1M1DD＜CR＞＜LF＞輸出格式為壓縮BCD碼，該數(shù)據(jù)串中含年的高位(20H)。

5.2 串口輸出工作方式

波特率一般為4800波特，但根據(jù)需求，可設(shè)置為600、1200、2400和9600波特。數(shù)據(jù)位為8位，停止位為1位，且無校驗位。

6.結(jié)束語

遠動系統(tǒng)SCADA的重要功能之一就是實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的同步采集和對狀態(tài)的同步監(jiān)控，時間的統(tǒng)一及其精度直接影響到采樣和測量的精度。SCADA系統(tǒng)的時間同步要求主要體現(xiàn)在：(1)隨機時間或突發(fā)故障的精確標記，這對故障判斷和檢測尤為重要；(2)SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫除了基本的初始數(shù)據(jù)和臨時數(shù)據(jù)外，還有大量的具有時間標記的實時數(shù)據(jù)、計劃數(shù)據(jù)以及用于事故追憶的歷史數(shù)據(jù)，其時序邏輯對時間都有很高的精確度要求；(3)遠動系統(tǒng)中任務(wù)的調(diào)度和多任務(wù)(進程)間的同步對時間的分辨率要求等。使用GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)中的標準時間信號為遠動系統(tǒng)的高精密時間同步提供了理想的手段。在給SCADA系統(tǒng)提供GPS同步時間的基礎(chǔ)上，利用GPS接收到的標準時間，通過串口接入局域網(wǎng)內(nèi)，也為其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供精確的同步時間。經(jīng)過此次技術(shù)改造，不僅解決了西屋遠動系統(tǒng)主時鐘不能精確對時的難題，也為GPS在電氣化鐵道遠動系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了新思路。

[1]賀鵬，曾維魯.分布式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的時間同步及其軟件編程.計算機工程. 2000

[2]程根蘭.數(shù)字同步網(wǎng).北京：人民郵電出版社.2001

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.128